3電容式傳感器解析

電容式傳感器

14級張立偉電容式傳感器1定義2分類及工作原理3汽車上的應用4比照電阻式、電感式等傳感器相比有如下一些優(yōu)點5缺點和缺乏6對于缺點的解決方法7應用前景1電容式傳感器的定義把被測的機械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器2分類及工作原理假設無視邊緣效應，平板電容器的電容為式中εo是真空介電常數(shù),εr是材料的介電常數(shù)，ε為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩極板相互掩蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。d、A、ε三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。a〕極距d變化型P彈性膜片(動電極)固定電極

電容式壓力傳感器單只變間隙型a〕構(gòu)造示意圖b〕電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板2—動極板

傳感器的輸出特性C=f(d)不是線性關(guān)系,而是雙曲線關(guān)系。電容式傳感器起始電容量一般設置在十幾皮法至幾十皮法，極板間隙設在100~1000чm的范圍比較妥當，動極板移動位移應當小于兩極板間距1/10~1/4，電容可增加2~3倍凹玻璃圓片彈性膜片(動電極)固定電極P電容式差壓傳感器差動型當PH=PL時，中心膜片處于平直狀態(tài)，膜片兩側(cè)電容均為C0；當PH>PL時，中心膜片上凸，上部電容為CL，下部電容為CH。CH

相當于當前膜片位置與平直位置間的電容CA和C0的串聯(lián)；而C0又可看成是膜片上部電容CL與的CA串聯(lián)。hmaxd0CACLCHC0PHPL

在彈性鋼體上高度一樣處打一排孔，在孔內(nèi)形成一排平行的平板電容，當稱重時，鋼體上端面受力，圓孔變形，每個孔中的電容極板間隙變小，其電容相應增大。由于在電路上各電容是并聯(lián)的，因而輸出反映的結(jié)果是平均作用力的變化，測量誤差大大減小〔誤差平均效應〕

電容式稱重傳感器F電容傳聲器駐極體電容傳聲器大膜片電容傳聲器傳聲器〔Microphone〕即話筒，音譯作麥克風，目前使用的話筒大多是動圈式和電容式。電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓。b)面積變化型圖a是平板形直線位移式構(gòu)造，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的構(gòu)造。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。c)介質(zhì)變化型由于各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。變介電常數(shù)電容傳感器的構(gòu)造較多

右圖為用來測量導電介質(zhì)的單電極電容液位計，它只用一根電極作為電容器的內(nèi)電極，一般用紫銅或不銹鋼，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作為絕緣層，而導電液體和容器壁構(gòu)成電容器的外電極。

1-內(nèi)電極；2-絕緣套右圖為用于測量非導電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計。內(nèi)電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開有很多流通孔使液體流入極板間。

1、2-內(nèi)、外電極；

3-絕緣套；4-流通孔。以上介紹的兩種是最一般的安裝方法，在有些特殊場合還有其它特殊安裝形式，如大直徑容器或介電系數(shù)較小的介質(zhì)，為增大測量靈敏度，通常也只用一根電極，將其靠近容器壁安裝，使它與容器壁構(gòu)成電容器的兩極；在測大型容器或非導電容器內(nèi)裝非導電介質(zhì)時，可用兩根不同軸的圓筒電極平行安裝構(gòu)成電容；在測極低溫度下的液態(tài)氣體時，一個電容靈敏度太低。可取同軸多層電極構(gòu)造，把奇數(shù)層和偶數(shù)層的圓筒分別連接在一起成為兩組電極，變成相當于多個電容并聯(lián)，以增加靈敏度。式中k——比例常數(shù)；D——儲罐的內(nèi)徑；d——測定電極的直徑；h——被測物料的高度；ε0——空氣的相對介電常數(shù)；ε1——被測物料的相對介電常數(shù)；可以看出，兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大、D與d相差越小，傳感器的靈敏度越高。變介電常數(shù)電容傳感器的構(gòu)造較多，應用也比較廣泛，其中依據(jù)一些非導電固體的濕度變化，介質(zhì)自身介電常數(shù)變化的電容傳感器，可以用來測量糧食、紡織品、木材、煤炭等物質(zhì)的濕度可以用來測量紙張，絕緣薄膜等的厚度等電容測厚傳感器在板材軋制裝置中的應用

電容式料位計不僅能測不同性質(zhì)的液體，而且還能測量不同性質(zhì)如塊狀、顆粒狀、粉狀、導電性、非導電性的物料。1-金屬電容；2-測量電極；3-幫助電極；4-絕緣套電容式料位計測量不同性質(zhì)如塊狀、顆粒狀、粉狀、導電性、非導電性的物料時。因固體摩擦力大，簡潔“滯留”，產(chǎn)生虛假料位，因此一般不使用雙層電極，而是只用一根電極棒。補充：小結(jié)根本的工作原理式中ε為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩極板相互掩蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。d、s、ε三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。3汽車上的應用汽車加速度傳感器濕度傳感器觸摸開關(guān)為甲醇汽車設計的電容式液位傳感器遙控開關(guān)胎壓檢測汽車指紋防盜汽車加速度傳感器兩個固定極板間有一個用彈簧片支撐的質(zhì)量塊m，質(zhì)量塊的兩端面經(jīng)拋光后作為動極板，當傳感器測量豎直方向的振動時，由于m的慣性作用，使其相對固定電極產(chǎn)生位移，兩個差動電容器C1和C2的電容發(fā)生相應的變化,其中一個變大，另一個變小。汽車空調(diào)濕度傳感器濕敏元件是最簡潔的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。電阻式的濕度傳感器：濕敏電阻的特點是在基片上掩蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。缺點：濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中，很簡潔被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。電容式的濕度傳感器：濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當環(huán)境濕度發(fā)生轉(zhuǎn)變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。上圖為高分子濕度傳感器(電容式濕度傳感器)的構(gòu)造如下圖即為電容變化型的構(gòu)造，在高分子膜上各蒸鍍一電極膜片，上方的電極為多孔性以吸取水份，高分子膜吸取水份之后，其介電系數(shù)將轉(zhuǎn)變，致使感濕組件之電容量轉(zhuǎn)變。如圖所示為電阻變化型的構(gòu)造，它是在氧化鋁〔Al2O3〕基板上鍍上一對梳外形之電極，再于其上添加感濕高分子膜聚乙烯醇〔PVA〕，然后以聚苯乙烯硫酸銨〔PSS〕涂抹之后燒結(jié)而成。濕敏電容的主要優(yōu)點是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、簡潔實現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產(chǎn)濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產(chǎn)的SH1100型濕敏電容為例，其測量范圍是〔1%～99%〕RH，在55%RH時的電容量為180pF〔典型值〕。當相對濕度從0變化到100%時，電容量的變化范圍是163pF～202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/℃，濕度滯后量為±1.5%，響應時間為5s。市面上的一些電容式濕度傳感器

觸摸開關(guān)與早期的車型相比,如今汽車的開關(guān)和按鈕要多得多。不僅數(shù)目眾多,而且還必需能夠很輕易地安裝到外形日益多樣化的操縱面之中。另外,它們還需具備本錢效益性,以取代密封型開關(guān)。一種漸漸走紅的方法是轉(zhuǎn)變?yōu)槌惺茈娙菔接|摸開關(guān)〔CapSense〕。由于未承受機械式部件,而且能夠與成形操縱面相吻合,因此CapSense開關(guān)供給了汽車行業(yè)所需要的牢靠性和價位。

如圖1所示,電容式開關(guān)根本上就是一個由兩根相鄰走線形成的電容器;物理定律打算了在它們之間存在電容。假設把一個導體〔比方：手指〕放置在靠近這些極板的地方,則一個并聯(lián)電容將與該傳感器相耦合。當把手指放置于電容式傳感器之上時,電容將增加。拿開手指后,電容將減小。在增加了用于丈量電容變化的電路之后,就可以確定手指的存在與否了。推廣應用：只要一根走線、間隔、另一根走線,這就是組成一個電容式傳感器的全部所需。直接在這些走線上掩蓋一層盡緣透亮塑料膜即可使其成為電路板的一局部?？梢越柚糜诤蟠安ＡСF器的玻璃印刷電路技術(shù)來把它們做在車窗上。也可以承受絲網(wǎng)印刷工藝將其做在其它材料的外表,并使之與彎曲的外表相吻合,這樣它們便可適合于汽車中幾乎全部的應用。為甲醇設計的電容式液位傳感器現(xiàn)在，為了提高燃油經(jīng)濟性，不少汽車改裝成了自然氣或者甲醇作為燃料，原車油位傳感器使用一只滑動電阻器通過浮子的帶動來轉(zhuǎn)變電阻的大小，最終在儀表盤上顯示出油位的凹凸。但當使用在甲醇中時，觸點會被逐步腐蝕，最終造成油位傳感器失效，給行車帶來不便和擔憂全因素。一般的解決方法：目前有人設計一款可以減小流過滑動電阻電流的部件試圖延緩傳感器的腐蝕，但由于不同車型傳感器使用不同的材質(zhì)，這一方法并沒有較好的穩(wěn)定性；還有一種目前常用的解決方法是通過一只帶磁浮球透過密封的鋼管來開合干簧管，但國產(chǎn)干簧管的品質(zhì)穩(wěn)定性較差，產(chǎn)品牢靠性并不高，而且由于局部產(chǎn)品并不是使用可以耐甲醇的浮球，浮球在被甲醇滲透后，浮力喪失，造成傳感器穩(wěn)定性下降。電容式的液位傳感器假設使用為甲醇設計的電容式液位傳感器，電容式液位傳感器無任何可動部件，由內(nèi)、外兩層彼此絕緣的不銹鋼管組成，當進入兩層管中的液位發(fā)生變化時，由兩層管形成的電容的容量也相應發(fā)生變化，信號調(diào)理器檢測到這一變化，并與存儲的校準值進展比較，經(jīng)過電壓電流轉(zhuǎn)換局部轉(zhuǎn)換后輸出一個對地電阻變的信號。這樣就很好的解決的了甲醇腐蝕液位傳感器的問題

遙控開關(guān)遙控開關(guān)特別簡潔制造,因而使得諸如無鑰匙點火或?qū)﹄妱哟暗捏槲粣圩o之類的應用成為可能。無鑰匙汽車一個重要的必要條件是盡可能使輸入電流最低——標準狀況是低于100A。多年以來制造商已經(jīng)將Σ-Δ轉(zhuǎn)換器進展優(yōu)化,因此已有一些適合的體系構(gòu)造。胎壓檢測在車庫或車輛安全檢測站均可配置承受電容觸控壓力感應的設備。當一輛車駛過相應的感應設備時，系統(tǒng)通過輪胎與設備接觸時的壓力分布計算出胎壓是否正常。當胎壓過高時，感應設備中部的傳感器將承受更大的壓力，而當胎壓過低時，兩端的傳感器則承受更大壓力。在車輛的四輪定位中也能看到相關(guān)的技術(shù)應用。汽車指紋防盜汽車現(xiàn)在的一種防盜手段就是指紋防盜，同時這種防盜手段被廣泛應用到了生活的實例中，比方手機指紋識別，筆記本指紋識別，保險柜等等目前的指紋采集技術(shù)主要有光學采集、半導體采集、超聲波采集?！?〕半導體壓感式感應傳感器：其外表的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料,它們依照指紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為相應的電子信號,并進一步產(chǎn)生具有灰度級的指紋圖像。(2)半導體溫度感應傳感器：它通過感應壓在設備上的脊和遠離設備的谷溫度的不同就可以獲得指紋圖像?！?〕硅電容指紋圖像傳感器：這是最常見的半導體指紋傳感器,它通過電子度量來捕獲指紋。在半導體金屬陣列上能結(jié)合大約100,000個電容傳感器,其外面是絕緣的外表。傳感器陣列的每一點是一個金屬電極,充當電容器的一極,按在傳感面上的手指頭的對應點則作為另一極,傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在),導致硅外表電容陣列的各個電容值不同,測量并記錄各點的電容值,就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。指紋識別系統(tǒng)的電容傳感器發(fā)出電子信號，電子信號將穿過手指的外表和死性皮膚層，直達手指皮膚的活體層(真皮層)，直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實數(shù)據(jù)，不易受手指外表塵污的影響，提高辨識準確率，有效防止辨識錯誤。半導體指紋采集設備可以獲得相當準確的指紋圖像,區(qū)分率可高達600dpi,并且指紋采集時不需要象光學采集設備那樣,要求有較大面積的采集頭。由于半導體芯片的體積小巧,功耗很低,可以集成到很多現(xiàn)有設備中,這是光學采集設備所無法比較的,現(xiàn)在很多指紋識別系統(tǒng)研發(fā)工作都承受半導體采集設備來進展。4電容式傳感器與電阻式、電感式等傳感器優(yōu)點(1)高阻抗、小功率,因而所需的輸入力很小，輸人能量也很低。電容式傳感器因帶電極板間靜電引力微小(約幾個10-5N)，因此所需輸入能量微小，所以特殊適宜用來解決輸入能量低的測量問題，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏,區(qū)分力特別髙，能感受0.001μm甚至更小的位移。(2)溫度穩(wěn)定性好。傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱微小，對穩(wěn)定性影響甚微。(3)構(gòu)造簡潔，適應性強，待測體是導體或半導體均可,可在惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感器構(gòu)造簡潔,易于制造,可做得特別小巧，以實現(xiàn)某些特殊的測量;能工作在凹凸溫、強輻射及強磁場等惡劣的環(huán)境中，也能對帶有磁性的工件進展測量。(4)動態(tài)響應好。由于極板間的靜電引力很小，可動局部做得很小很薄，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特殊適合動態(tài)測量，如測量振動、瞬時壓力等。(5)可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應。例如非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當承受非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應，可以減小工作外表粗糙等對測量的影響。〔6〕價格廉價，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載力量強，動態(tài)響應特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等5電容式傳感器存在的缺乏之處缺點1：輸出阻抗高，負載力量差電容式稱重傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制不易做得很大，一般為幾十到幾百微法，甚至只有幾個微法。因此，電容式稱重傳感器的輸出阻抗高，因而負載力量差，易受外界干擾影響產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴峻時甚至無法工作。必需實行妥當?shù)钠帘未胧瑥亩o設計和使用帶來不便。容抗大還要求傳感器絕緣局部的電阻值極高，否則絕緣局部將作為旁路電阻而影響儀器的性能，為此還要特殊留意四周的環(huán)境如溫度、清潔度等。假設承受高頻供電，可降低電容式稱重傳感器的輸出抗阻，但高頻放大、傳感器遠比低頻的簡單，且寄生電容影響大，不易保證工作的穩(wěn)定性。缺點2：輸出特性非線性電容式稱重傳感器的輸出特性是非線性的，雖承受差分型來改善，但不行能完全消退。其他類型的電容傳感器只有無視了電場的邊緣效應時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應所產(chǎn)生的附加電容量將于傳感器電容器直接疊加，使輸出特性非線性。缺點3：寄生電容影響大。電容式傳感器的初始電容量很小,而傳感器的引線電纜電容(lm~2m導線可達800p